Một phương pháp tiếp cận mới đối với công nghệ này đã mang lại hiệu suất lượng tử đáng kinh ngạc lên tới 130%. Điều quan trọng cần lưu ý, đây là mức năng lượng thu hồi ở cấp độ lượng tử. Vì vậy, ở đây không phải nói về một tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng với tỉ lệ 130%.
Đột phá này là sự cải thiện hiệu suất về tần suất xảy ra của một sự kiện cụ thể trên mỗi photon được hệ thống hấp thụ. Để vượt qua rào cản 100%, phương pháp tiếp cận mới chia năng lượng thu được từ một photon ánh sáng đơn lẻ thành hai phần, sau đó cung cấp năng lượng cho hai trạng thái kích thích (được gọi là exciton) trong vật liệu nhận.
Đây là quá trình gọi là phân hạch đơn, và như nhóm nghiên cứu quốc tế đứng sau công trình này giải thích, nó ngăn năng lượng dư thừa bị mất đi dưới dạng nhiệt. Sự mất mát đó là một phần lý do khiến các pin quang điện thường chỉ đạt hiệu suất tối đa khoảng 33%, ngưỡng giới hạn được gọi là giới hạn Shockley-Queisser.
Nhóm nghiên cứu có hai chiến lược chính để vượt qua giới hạn này, nhà hóa học Yoichi Sasaki từ Đại học Kyushu (Nhật Bản) cho biết. Một là chuyển đổi các photon hồng ngoại năng lượng thấp thành các photon khả kiến năng lượng cao hơn. Thứ hai là sử dụng sự phân tách singlet để tạo ra hai exciton từ một photon exciton duy nhất.
Các nhà nghiên cứu sử dụng phân tử hữu cơ, có tên là tetracene làm vật liệu phân tách, thông qua đó, sự phân tách singlet có thể hoạt động. Các đặc tính của nó làm cho nó phù hợp để phân tách một gói năng lượng cao thành hai gói năng lượng thấp hơn thông qua kích thích electron.
Thực ra, sự phân tách singlet không phải là vấn đề hoàn toàn mới, đó chỉ mới là một nửa câu chuyện ở đây. Một trở ngại lớn trong các thí nghiệm trước đây, là việc tạo ra đủ thời gian cho sự phân tách singlet diễn ra, trước khi năng lượng bị mất hoặc chuyển đi nơi khác.
Đây là lúc nguyên tố kim loại molybdenum phát huy tác dụng. Molybdenum được lựa chọn vì các đặc tính đặc biệt của nó. Bằng cách trộn nó với tetracene, nhóm nghiên cứu có thể thu giữ được các exciton bị phân tách trong hợp chất molybdenum.
Ở cấp độ lượng tử nhỏ nhất, molybdenum hoạt động như chất phát xạ đảo chiều spin. Đầu tiên, nó khóa năng lượng, sau đó dùng sự đảo chiều spin lượng tử để chuyển các trạng thái vô hình thành ánh sáng. Điều đó mang lại cho nhóm nghiên cứu kết quả đột phá: 1,3 phức chất kim loại gốc molybdenum được kích thích trên mỗi photon hấp thụ.
Cần nhấn mạnh rằng, đây chỉ là những thử nghiệm ban đầu trong phòng thí nghiệm. Các bước tiếp theo là chuyển đổi dung dịch lỏng sử dụng ở đây thành dạng rắn có thể gắn vào tấm pin mặt trời một cách đáng tin cậy và hiệu quả, điều mà chính các nhà nghiên cứu thừa nhận sẽ là thách thức khá lớn.
Ngoài ra, còn có vấn đề về việc các phức chất molybdenum giữ năng lượng đủ lâu để nó có thể hữu ích, cũng như việc thu giữ năng lượng ngay từ đầu. Quá trình “phân rã” này là một vấn đề khác mà nghiên cứu đề cập đến.
Tuy nhiên, các mối lo ngại thực tiễn đó trong tương lai không làm giảm đi sự hứng thú của nghiên cứu này: Nó vạch ra rõ ràng một con đường hướng tới các tấm pin mặt trời có thể vượt xa giới hạn hiệu suất hiện nay, và có nhiều cách để điều chỉnh, thử nghiệm mô hình này trong tương lai.
Năng lượng mặt trời là một phần thiết yếu trong việc giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và làm chậm biến đổi khí hậu. Do đó, việc cải thiện đáng kể tỉ lệ chuyển đổi năng lượng trên các tấm pin mặt trời có thể tạo ra sự thay đổi lớn cho ngành năng lượng. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí của American Chemical Society.
